Вопорс 39 3 страница

Вопрос 50

В режиме двигателя синхронные машины потребляет энергию из сети и преобразуют ее в механическую. Момент машины при этом является движущим, а не тормозящим, как в режиме генератора.

Физически это означает, что в двигателе, в отличие от генератора, полюсы ротора отстают от вращающегося поля; теперь уже последнее «ведет» за собой ротор. При этом скорость ротора равна синхронной скорости n₀. Это возможно при условии, что момент нагрузки не превышает наибольшего значения М_max, который в состоянии развить синхронная машина.

В противном случае равновесие между моментами будет невозможно, поддерживание синхронной скорости вращения ротора нарушится, и машина перестает быть синхронной и «выпадает» из синхронизма. Ее скорость начинает падать, возникнут недопустимые колебания тока и вращающего момента двигателя; при этом последний должен быть немедленно отключен от сети. На рис 7.6 приведена механическая характеристика синхронного двигателя.

Рис. 7.6 Механическая характеристика синхронного двигателя.

Характеристика, представленная на рис.7.6., называется абсолютно жесткой, так как скорость двигателя не зависит от момента нагрузки и равна синхронной скорости n₀.

Вопрос 51. МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ

Обмотка статора питается переменным трехфазным током, а обмотка ротора — постоянным током. Вращающий момент синхронного двигателя создается в результате взаимодействия полюсов магнитного поля статора с полюсами ротора, являющегося электромагнитом. Скорость вращения синхронного двигателя при работе в установившемся режиме независимо от нагрузки на валу остается строго постоянной и равной синхронной скорости.

Синхронный двигатель работает с неизменной скоростью. Это ограничивает область его применения нерегулируемыми приводами. Однако он работает с высоким коэффициентом мощности, что является серьезным достоинством синхронного двигателя. Более того, он может работать с опережающим током и улучшать cos? сети.

При отсутствии нагрузки оси полюсов поля ротора и оси полюсов поля статора совпадают. Когда же нагрузка на двигатель увеличится, то происходит сдвиг оси поля ротора относительно поля статора на угол. С повышением нагрузки угол также увеличивается, причем при некоторой максимальной нагрузке полюса ротора отрываются от полюсов потока статора, двигатель выпадает из синхронизма и останавливается. Изменение угла между ротором и потоком статора вызывает изменение угла между напряжением и электродвижущей силой синхронной машины.

При работе двигателя на пульсирующую нагрузку большое влияние на устойчивость его работы оказывает зависимость момента М от угла? между напряжением и э.д.с. Зависимость момента синхронной машины от угла между напряжением и э. д. с. называется угловой характеристикой М = f(?).

Уравнение угловой характеристики имеет следующий вид: М = М макс sin?. С увеличением угла? растет и вращающий момент, развиваемый двигателем. Эта зависимость справедлива, однако только в пределах углов 0—90°. С дальнейшим повышением нагрузки при 47>90° увеличение угла? вызывает уже уменьшение вращающего момента, в результате чего двигатель выпадает из синхронизма. Рабочей частью характеристики является левая ее часть (от 0 до 90°); правая часть характеристики— неустойчивая.

Вопрос 52

Пуск в ход синхронного двигателя обычного исполнения путем непосредственного включения в сеть невозможен.

Для синхронного двигателя обычно применяется асинхронный пуск, состоящий в том, что в начале пуска двигатель разгоняется как асинхронный. Для этого ротор снабжается короткозамкнутой обмоткой, подобной короткозамкнутой клетке («беличьего колеса») асинхронного двигателя.

В процессе пуска перед включением статора двигателя в трехфазную сеть обмотка возбуждения, то есть обмотка ротора, замыкается на сопротивление и постоянный ток в эту обмотку не подается (рис 7.7).

Рис 7.7 Схема синхронного двигателя с асинхронным пуском.

Затем включается обмотка статора и возникает вращающееся магнитное поле. Оно, по аналогии с асинхронным двигателем, индуктирует токи в пусковой катушке ротора, в результате чего возникает вращающий момент и двигатель разгоняется до некоторой установившейся скорости n. Все происходит так же, как и при пуске асинхронного двигателя; поэтому скорость n оказывается близкой к синхронной скорости n₀, то есть к скорости вращения поля, но меньшей, чем n₀ на несколько процентов. Затем обмотка возбуждения отключается от сопротивления и подключается к источнику постоянного тока.

Вопрос 53. Синхронные компенсаторы.

Способность синхронных машин вызывать в сети опережающий ток и служить генератором реактивной мощности позволяет их использовать в качестве устройств, повышающих cosφ сети. Такие машины, называемые синхронными компенсаторами, обычно работают на холостом ходу, вызывая ток, который опережает напряжение сети на угол, близкий к π/2. Тем самым компенсируется индуктивная составляющая тока других потребителей.

Синхронным компенсатором называют синхронную машину, предназначенную для работы в качестве ненагруженного двигателя. Активная составляющая тока статора синхронного компенсатора очень мала и номинальный ток практически является реактивным током.

Большинство приемников переменного тока (асинхронные двигатели, трансформаторы, индукционные печи и др.) потребляют из сети индуктивный ток, создающий магнитный поток, без которого их действие невозможно. За счет индуктивной составляющей тока увеличивается полный ток электроприемника и уменьшается cosφ_ПР. Вследствие этого снижается экономичность линии электропередачи, и возникают большие отклонения напряжения на зажимах токоприемников.

При подключении синхронного компенсатора в точке включения электроприемников (рис 7.7) ток в линии равен суме токов приемников I _пр и компенсатора I _ск: I _Л = I _пр + I _ск

Рис 7.7 Схема включения асинхронного двигателя и синхронного компенсатора

Рис 7.8 Векторная диаграмма токов электроприемника синхронного компенсатора

Как видно из векторной диаграммы, представленной на рис. 7.8, ток в линии уменьшается (I_Л < I_ПР), а cosφ_Л > cosφ_ПР. В результате увеличивается коэффициент мощности.

Таким образом, синхронный компенсатор является местным источником реактивной мощности для электроприемников, он освобождает линии электропередачи от реактивной мощности.

По сравнению с конденсаторами, которые так же вызывают в сети компенсирующий ток и используются для повышения cosφ линии, синхронные компенсаторы дешевле, имеют меньшие размеры. Однако к.п.д. у них меньше, чем к.п.д. конденсаторов.

Потребление энергии синхронными компенсаторами невелико, т.к. потери в них составляют (2…3)% N_НОМ.

Вопрос 54

Электрические машины постоянного тока (двигатели и генераторы) находят широкое применение в различных областях техники. Основноедостоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности плавного регулирования частоты вращения и получения больших пусковых моментов. По этой причине двигатели постоянного тока широко используются в качестве тяговых двигателей на электрическом транспорте, а также для привода различного технологичес­кого оборудования.

Общимнедостатком электрических машин постоянного тока является их конструктивная сложность, связанная главным образом со щеточно-коллекторным аппаратом, наличие которого снижает надежность машин и ограничивает область их применения. Кроме того, в щеточно-коллекторном аппарате, осуществляющем постоянную перекоммутацию цепей электрической машины, возникает искрение. Существенным недостатком двигателей постоянного тока является необходимость предварительного преобразования для них электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока. Машина постоянного тока в основном состоит из неподвижной части, служащей для возбуждения главного магнитного поля, и вращающейся части, в которой индуктируется ЭДС. Токи от этой ЭДС, взаимодействуя с главным магнитным полем, создают тормозной момент в генераторном режиме и вращающий момент в двигательном режиме.

Неподвижная часть машины состоит из станины 1 (рис.8.1), на которой укрепляются основные (главные) полюсы 3 для возбуждения главного магнитного потока и дополнительные 4, предназначенные для улучшения коммутации в машине.

Главный полюс состоит из сердечника, набранного из листовой стали и укрепленного болтами на станине, и катушки обмотки возбуждения. Сердечник на свободном конце снабжается полюсным наконечником 2 для создания требуемого распределения магнитной индукции вдоль окружности якоря.

Рис. 8.1. Устройство машины постоянного тока: 1 - станина; 2 - полюсный наконечник; 3 - сердечник главного полюса, 4 - сердечник дополнительного полюса, 5 - подвижная часть (якорь), 6 – щетки, 7 – коллектор, 8 – вал якоря

Станина 1 является ярмом машины, т.е. частью, замыкающей магнитную цепь главного потока Ф. Она изготовляется из литой стали, т.к. магнитный поток в ней относительно постоянен. Дополнительные полюсы 4 устанавливаются на станине между основными. На сердеч­никах дополнительных полюсов располагаются обмотки, которые со­единяются последовательно с якорем.

Якорем 5 называют часть машины, в обмотке которой при вращении её относительно главного магнитного поля, индуктируется ЭДС.

В машине постоянного тока якорь " а " (рис. 8.2) состоит из зубчатого сердечника, обмотки, уложенной в его пазах, и коллектора " б ", насаженного на вал якоря. Сердечник якоря набирается из листов электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком.

Применение ферромагнитного якоря и полюсных наконечников позволяет получать равномерное распределение индукции B воздушном зазоре машины δ (рис. 8.2 д) и таким образом уменьшить пульсацию напряжения генератора. Таким образом напряжение генератора меньше пульсирует, чем при вращении генератора в однородном магнитном поле.

В пазы сердечника якоря уложена обмотка якоря, обычно сос­тоящая из отдельных секций.

Секция состоит из одного или нескольких последовательно соединенных витков и присоединена своими концами к коллекторным пластинам. Для отвода тока от коллектора служат щётки, установленные в щёткодержателях (рис.8.2 в). Щётку к коллектору прижимает пружина. Ток от щетки отводится специальным гибким кабелем.

Характерной частью электрических машин постоянного тока является коллектор " б " (рис. 8.2). Это полый цилиндр, собранный из изолированных друг от друга клинообразных медных пластин. Пластины коллектора изолированы от вала машины и проводниками соединяются с витками обмотки, размещенной в пазах якоря " а ".

В режиме генератора коллектор является механическим выпрямителем, который преобразует переменный ток в обмотке якоря в постоянный ток во внешней цепи.

В режиме двигателя коллектор превращает потребляемый из внешней цепи постоянный ток в переменный в обмотке якоря и работает, таким образом, в

Рис.8.2. Узлы и детали машины постоянного тока: а) – якорь, б) – фрагмент коллектора, в) – щетка, щеткодержатель и гибкий шлейф – кабель, г) – изменение напряжения генератора в случае, если витки обмотки якоря уложены в пазы, д) – характер распределения индукции B в воздушном зазоре δ машины постоянного тока, е) – выпрямление наводимых переменных ЭДС машины переменного тока с помощью коллектора.

качестве механического инвертора тока, обеспечивая непрерывность вращения якоря.

Машина постоянного тока обратима. Она работает в режиме генератора, если ротор вращает первичный двигатель, главное магнитное поле возбуждено, а цепь якоря соединена через щётки с приемником. При таких условиях ЭДС, индуктируемая в обмотке якоря, создает в якоре и приемнике ток. Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создаёт на валу машины тормозной момент, который преодолевается первичным двигателем. Генератор, таким образом, преобразует механическую энергию в электрическую.

В режиме двигателя цепи якоря и возбуждения машины присоединены к источнику электроэнергии. Взаимодействие тока якоря с главным магнитным полем создает вращающий момент. Под действием последнего вращающийся якорь преодолевает момент нагрузки, который приложен к валу машины. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.

Вопрос 55 Для перехода машины постоянного тока из режима генератора режим двигателя и обратно при неизменной полярности полюсов и щеток и при неизменном направлении вращения требуется только изменить направление тока в обмотке якоря.

1. Для лучшего понимания и усвоения принципов работы электрической машины в режиме генератора и режиме двигателя воспользуемся условно-логическими схемами.

Такая схема для генератора с независимым возбуждением представлена на рис. 1РВ. Эта схема расшифровывается так:

От источника механической энергии (ИМ) при наличии передачи (П) на якорь генератора действует вращающий момент M. Так как якорь находится в незаторможенном состоянии (НЗ), он вращается со скоростью n_Я.

Обмотка возбуждения генератора питается напряжением U_В, и так как она замкнута (ЦЗ), то в ней протекает ток I_В. Эта обмотка имеет w_В витков, в результате появляется м. д. с. I_Вw_В, которая возбуждает магнитный поток Ф. Обмотка якоря вращается в этом магнитном поле и вследствие этого по закону электромагнитной индукции (ЭМИ) в ней появляется э. д. с. E_Я. Таким образом, произошло преобразование механической энергии в электрическую.

Кроме того, происходят косвенные события: так как обмотка якоря замкнута (ЦЗ), в ней течет ток I_Я. Это приводит к возникновению м. д. с. I_Яw_Я, которая воздействует на основной магнитный поток машины Ф. Величина тока якоря зависит от нагрузки r_н, и, следовательно, воздействие I_Яw_Я на Ф также зависит от нагрузки.

2. Преобразование электрической энергии в механическую, т. е. Принцип работы электродвигателя, показано на условно-логической схеме рис. 2РВ. Как видно, эта схема также двухстрочная. Она описывает двигатель с независимым возбуждением. От источника электроэнергии через провода к обмотке якоря подается напряжение U_Я, а, так как обмотка якоря замкнута (ЦЗ), в ней течет ток I_Я. С другой стороны, обмотка возбуждения питается напряжением U_В и аналогично предыдущему создаётся магнитный поток Ф_В. В потоке Ф имеются провода якоря, по которым протекает ток I_Я. Взаимодействие их по закону Ампера создает на валу крутящий момент М.

Косвенные события, имеющие принципиальное значение, сводятся к вращению якоря со скоростью n_Я и аналогично предыдущему в якоре наводится E_Я, которое уменьшает значение U_Я, т. е. величина тока I_Я определяется не величиной U_Я, а разностью U_Я-E_Я.

3. На рис. 3РВ показана условно-логическая схема для генератора со смешанным возбуждением.

Из этой схемы ясно, что э. д. с. якоря E_Я получается в результате вращения обмотки якоря в остаточном магнитном поле, т. е. в соответствии с законом электромагнитной индукции (ЭМИ). По мере увеличения токов в обмотках возбуждения соответственно увеличивается магнитный поток Ф от Ф₀ (остаточный поток) до Ф_N (номинальное значение потока, при котором наводится номинальное значение E_Я). Если генератор последовательного возбуждения, то схема действует по каналу 1, если генератор параллельного возбуждения, то схема соответствует каналу 2, а для смешанного возбуждения действуют оба канала.

4. Особое внимание следует обратить на механические свойст­ва двигателей постоянного тока. Только понимая эти свойства, мож­но решить вопрос о пригодности того или иного двигателя постоян­ного тока для привода определенного механизма. Лишь на основе этих свойств станет понятно, почему для привода металлорежущего станка применяется двигатель с параллельным возбуждением, а для привода подъемного механизма — двигатель с последовательным возбуждением.

Характеристика n=f₂(I_Я) для двигателя с параллельным воз­буждением определяется прямой линией n=n₀-bI_Я (рис. 4РВ в), а для двигателя с последовательным воз­буждением определяется гиперболой (рис. 4РВ г). Здесь a, b, d – постоянные величины. Из них видно, что для механизмов, требующих жесткую механическую характеристику (металлорежущие станки и др.), пригоден двигатель с параллельным возбуждением, а для механизмов, требую­щих мягкую характеристику (электропоезда, штамповочные устрой­ства и др.). пригоден двигатель с последовательным возбуждением.

5. Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением обладает жесткой механической характеристикой, уравнение кото­рой n=n₀-BM, где В — постоянная величина. Это уравнение соот­ветствует допущению, что магнитный поток остается неизменным при разных нагрузках. Однако при увеличении нагрузки, вследствие реакции якоря, магнитный поток уменьшается. Поэтому механическая характеристика этого двигателя может считаться прямолинейной, если реакцией якоря можно пренебречь по малости ее или если реакция якоря компенсируется.

6. Двигатель с последовательным возбуждением обладает мяг­кой механической характеристикой. Если сделать допущение, что магнитный поток пропорционален току, то уравнение механической характеристики , где A, D — постоянные величины, не зависящие от нагрузки

Вопрос56. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машин постоянного тока.

Принцип действия машины постоянного тока.

Для всех машин постоянного тока основными являются уравнения ЭДС, индуктируемой в обмотке якоря, и электромагнитного момента взаимодействия токов якоря и основного магнитного поля ма­шины.

Электродвижущая сила обмотки якоря.

Она наводится в обмотке якоря основным магнитным потоком. Для её получения обратимся к рисунку 8.7 б, где: B – максимальное значение индукции, τ – полюсное деление, или линейный размер между полюсами: (где D_я – внешний диаметр якоря, а 2p – число пар витков). При выводе формулы ЭДС бу-дем исходить из прямоугольного распределения индукции B в зазоре(рис. 8.7 б). Исходя из этого и учитывая тот факт, что ЭДС обмотки определяется суммой ЭДС секций, входящих в одну параллельную ветвь с числом пазовых проводников N/(2a), запишем

(8.1)

Обмотка якоря состоит из N активных проводников. Щётки делят эту обмотку на 2a параллельных ветвей. Таким образом, в пределах каждой параллельной ветви последовательно соединяются N/2a активных проводников. ЭДС якоря – это ЭДС одной параллельной ветви обмотки, которая равна сумме ЭДС, индуцируемых в составляющих её проводниках.

При движении одного пазового проводника обмотки якоря в магнитном поле под полюсом (рис. 8.7 а) проводник пересекает магнитные линии и в нём индуцируется ЭДС:

, (8.2)

где: l – активная длина проводника, V – окружная скорость якоря, B_ср – среднее значение магнитной индукции в пределах полюсного деления τ.

Окружную скорость вращающегося якоря (м/с) двухполюсной машины, для которой f=n заменим частотой вращения (об/с=1/с):

(1/с), а затем частотой вращения реальной машины, имеющей p пар полюсов и для которой f=pn (об/мин):

(8.3), где (8.3 а)

Подставляя выражения (8.2) и (8.3) в уравнение (8.1), получим:

(8.4)

Учитывая, что произведение

(8.5) – это основной магнитный поток одного полюса, уравнение (8.4) можно записать так:

, (8.6), где (8.7) – постоянная для данной машины величина.

Из выражения (8.6) следует, что ЭДС якоря E_я пропорциональна основному магнитному потоку и скорости вращения n и не зависит от формы кривой распределения индукции в воздушном зазоре.

У двигателя эта ЭДС направлена против тока и называется противоэлектродвижущей силой – противоЭДС.

Как следует из выражения (8.6), электродвижущую силу якоря можно регулировать посредством изменения магнитного потока Ф или посредством изменения частоты вращения якоря n.

Электромагнитный момент

Взаимодействие тока якоря с магнитным полем при работе машины в режиме двигателя создает вращающий момент, а при работе в режиме генератора – тормозной момент.

Направление передачи энергии при этих двух режимах различно, но природа электромагнитного момента одна и та же.

На каждый из N активных проводников обмотки якоря, находящихся под полюсами машины, действует сила

(8.8)

Сумма этих сил создает электромагнитный момент, воздействующий на якорь:

Учитывая (8.8), а также то, что ток параллельной ветви (см. также рис. 6РВ б), получим:

Используя выражение основного магнитного потока (8.5), а также имея ввиду, что [см. формулу (8.3 а)], получим выражение электромагнитного момента (Н∙м):

, (8.9), где - ток якоря, А; I – ток одного пазового проводника; (8.10) – величина, постоянная для данной машины, которая с учетом (8.7) может быть представлена и так: (8.11)

Подставив из (8.6) в (8.9) выражение основного магнитного потока , получим ещё одно выражение электромагнитного момента:

, (8.12), где - угловая скорость вращения;

(8.13) - электромагнитная мощность машины постоянного тока (Вт).

Из (8.12) следует, что в машинах равной мощности электромагнитный момент больше у машины с меньшей частотой вращения.

Вопрос 57. Свойства генераторов анализируются с помощью характеристик, которые устанавливают зависимости между основными величинами, определяющими работу генераторов. Такими основными величинами являются: напряжение на зажимах U;ток возбуждения I_В; ток якоря I_Я или ток нагрузки I;частота вращения n.

Обычно генераторы работают при n=const. Поэтому основные характеристики определяются при n=n_н=const/

Существует пять основных характеристик генераторов: холостого хода; короткого замыкания;

внешняя; регулировочная; нагрузочная.

Наиболее важными являются характеристики холостого хода, внешняя и регулировочная.

Характеристика холостого хода представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока возбуждения: при I=0 и n=const.

и определяет зависимость U или ЭДС якоря от тока возбуждения при холостом ходе (I=0, P₂=0).

Регулируя ток возбуждения I_В от 0 до I_{В НОМ} и от I_{В НОМ} до 0 при отключенной нагрузке, получают восходящую и нисходящую кривые (рис.8.9). Характеристика снимается экспериментально при отключенном рубильнике.

Несовпадение кривых объясняется явлением гистерезиса в магнитной цепи индуктора. За расчетную характеристику принимают среднюю кривую. Для всех типов генераторов характеристика холостого хода практически одинакова. Она позволяет оценить магнитные свойства машины.

Рис. 8.9 Характеристика холостого хода генератора независимого возбуждения.

Эта кривая состоит из следующих характерных участков:

0Е₀ – ЭДС, индуцируемая в якоре остаточным магнитным потоком, сохранившимся от предыдущего намагничивания машины;

Е₀а – прямолинейный участок, соответствующий ненасыщенному состоянию машины;

“ав” – средненасыщенный участок или «колено» кривой;

“вс” – участок магнитного насыщения машины.

При нормальных условиях эксплуатации магнитная цепь генератора должна быть в состоянии среднего насыщения, т.е. номинальное значение напряжения U_НОМ находится на колене характеристики “ав”. Это условие обеспечивает устойчивую работу генератора.

Характеристика холостого хода позволяет судить о насыщении магнитной цепи машины при номинальном напряжении, проверять соответствие расчетных данных экспериментально и составляет основу исследования эксплутационных свойств машины.

Внешняя характеристика генератора является зависимостью напряжения генератора U от тока нагрузки:

U = f(I) при I_В = const и n = const

U=Е–I_ЯR_Я

и определяет зависимость напряжения генератора от его нагрузки в естественных условиях, когда ток возбуждения не регулируется.В генераторах с параллельным возбуждением снижение напряжения при увеличении нагрузки обусловлено тремя причинами: падением напряжения в обмотке якоря, реакцией якоря и уменьшением тока возбуждения от первых двух причин (I_В=U/R_В).

Поэтому внешняя характеристика генераторов с параллельным возбуждением более крутая по сравнению с характеристиками генераторов независимого и смешанного возбуждения (рис.8.10, кривая 2).

Рис. 8.10. Внешние характеристики генераторов: 1 – с независимым возбуждением; 2 – с параллельным; 3 – с последовательным; 4 – со смешанным включением при согласном включении обмоток; 5 – то же при встречном включении обмоток.

В генераторах со смешанным возбуждением основной является параллельная обмотка, а вспомогательной - последовательная. Соединение последовательной обмотки может быть: согласным, что позволяет получить увеличение магнитного потока при росте тока нагрузки, а, следовательно, стабилизировать напряжение (рис.8.10, кривая 4); встречным, когда магнитные потоки параллельной и последовательной катушек на каждом полюсе направлены навстречу друг другу. При встречном включении обмоток напряжение генератора при нагрузке резко падает (рис.8.10, кривая 5) и одновременно обеспе­чивается постоянство тока. Поэтому такие генераторы, используются для выполнения высококачественной, электродуговой сварки, т. е. когда необходимо получить крутопадающую внешнюю характеристику.

Дата добавления: 2015-05-06